Центробежный регулятор — это особый тип регулятора с системой обратной связи, который управляет скоростью двигателя путем регулирования потока топлива или рабочей жидкости , чтобы поддерживать почти постоянную скорость. Он использует принцип пропорционального управления .
Центробежные регуляторы, также известные как «центробежные регуляторы» и «регуляторы с шаровым ротором», были изобретены Христианом Гюйгенсом и использовались для регулирования расстояния и давления между жерновами в ветряных мельницах в 17 веке. [1] [2] В 1788 году Джеймс Уатт приспособил один для управления своим паровым двигателем , где он регулировал подачу пара в цилиндр (ы), [3] разработка, которая оказалась настолько важной, что его иногда называют изобретателем. Центробежные регуляторы наиболее широко использовались в паровых двигателях в эпоху пара в 19 веке. Они также встречаются в стационарных двигателях внутреннего сгорания и турбинах с различным топливом , а также в некоторых современных часах с боем .
Простой регулятор поддерживает не точную скорость, а диапазон скоростей, поскольку при увеличении нагрузки регулятор открывает дроссельную заслонку по мере уменьшения скорости (оборотов в минуту).
.jpg/1280px-Centrifugal_governor_and_balanced_steam_valve_(New_Catechism_of_the_Steam_Engine,_1904).jpg)
Показанные устройства находятся на паровых двигателях. Мощность подается на регулятор от выходного вала двигателя с помощью ремня или цепи, соединенных с нижним ременным колесом. Регулятор соединен с дроссельным клапаном, который регулирует поток рабочей жидкости (пара), питающей первичный двигатель . По мере увеличения скорости первичного двигателя центральный шпиндель регулятора вращается с большей скоростью, и кинетическая энергия шариков увеличивается. Это позволяет двум массам на плечах рычага двигаться наружу и вверх против силы тяжести. Если движение заходит достаточно далеко, это движение заставляет плечи рычага тянуть вниз на упорный подшипник , который перемещает рычажный механизм, который уменьшает отверстие дроссельного клапана. Таким образом, скорость рабочей жидкости, поступающей в цилиндр, уменьшается, и скорость первичного двигателя контролируется, предотвращая превышение скорости.
Для ограничения диапазона движения дроссельной заслонки можно использовать механические упоры, как показано рядом с массами на изображении справа.
Ограничением двухплечевого двухшарового регулятора является его зависимость от силы тяжести, а также то, что регулятор должен оставаться в вертикальном положении относительно поверхности Земли, чтобы сила тяжести втягивала шары при замедлении регулятора.
Можно построить регуляторы, которые не используют силу гравитации, используя один прямой рычаг с грузами на обоих концах, центральный шарнир, прикрепленный к вращающейся оси, и пружину, которая пытается заставить грузы двигаться к центру вращающейся оси. Два груза на противоположных концах поворотного рычага уравновешивают любые гравитационные эффекты, но оба груза используют центробежную силу, чтобы работать против пружины и пытаться вращать поворотный рычаг в направлении перпендикулярной оси относительно вращающейся оси.
Подпружиненные негравитационные регуляторы обычно используются в однофазных асинхронных двигателях переменного тока для отключения пусковой обмотки возбуждения , когда скорость вращения двигателя достаточно высока.
Они также широко используются в бесступенчатых трансмиссиях (CVT) снегоходов и вездеходов (ATV ) как для включения/выключения движения транспортного средства, так и для изменения соотношения диаметров шкивов трансмиссии по отношению к оборотам двигателя в минуту .
Центробежные регуляторы были изобретены Христианом Гюйгенсом и использовались для регулирования расстояния и давления между жерновами в ветряных мельницах в 17 веке. [4] [5]
Джеймс Уатт спроектировал свой первый регулятор в 1788 году по предложению своего делового партнера Мэтью Болтона . Это был конический маятниковый регулятор и одно из последних нововведений, которые Уатт применил для паровых двигателей. Гигантская статуя регулятора Уатта стоит в Сметвике в английском Западном Мидленде .
Центробежные регуляторы нашли самое широкое применение в паровых двигателях в эпоху пара в 19 веке. Они также встречаются в стационарных двигателях внутреннего сгорания и турбинах с различным топливом , а также в некоторых современных часах с боем .
Центробежные регуляторы используются во многих современных часах с репетиром для ограничения скорости движения боевого механизма , чтобы репетир не работал слишком быстро.
Другой тип центробежного регулятора состоит из пары масс на шпинделе внутри цилиндра, причем массы или цилиндр покрыты прокладками, что-то вроде центробежной муфты или барабанного тормоза . Это используется в пружинном проигрывателе и пружинном телефонном диске для ограничения скорости.
Центробежный регулятор часто используется в когнитивных науках как пример динамической системы , в которой представление информации не может быть четко отделено от операций, применяемых к представлению. И поскольку регулятор является сервомеханизмом , его анализ в динамической системе не является тривиальным. В 1868 году Джеймс Клерк Максвелл написал знаменитую статью « О регуляторах » [6] , которая широко считается классической в теории управления с обратной связью . Максвелл различает замедлители (центробежный тормоз ) и регуляторы, которые управляют входной движущей силой . Он рассматривает устройства Джеймса Уатта , профессора Джеймса Томсона , Флиминга Дженкина , Уильяма Томсона , Леона Фуко и Карла Вильгельма Сименса (жидкостный регулятор).
В своей знаменитой статье 1858 года в Линнеевском обществе , которая побудила Дарвина опубликовать труд «О происхождении видов» , Альфред Рассел Уоллес использовал управляющих в качестве метафоры эволюционного принципа :
Действие этого принципа в точности похоже на действие центробежного регулятора паровой машины, который проверяет и исправляет любые нарушения еще до того, как они становятся очевидными; и подобным образом никакой несбалансированный недостаток в животном мире не может достичь сколько-нибудь заметной величины, потому что он даст о себе знать на самом первом шаге, затруднив существование и сделав вымирание почти неизбежным. [7]
Кибернетик и антрополог Грегори Бейтсон высоко оценил аналогию Уоллеса и рассмотрел эту тему в своей книге 1979 года « Разум и природа: необходимое единство» , а другие ученые продолжили изучать связь между естественным отбором и теорией систем . [8]
Центробежный губернатор является частью городской печати Манчестера, Нью-Гемпшир в США, а также используется на городском флаге. Попытка 2017 года изменить дизайн была отклонена избирателями. [9]
Стилизованный центробежный регулятор также является частью герба Шведского управления по охране труда .
Медиа, связанные с Центробежные регуляторы на Wikimedia Commons